Bluja e metilenit dhe ATP: a nënkupton më shumë oksigjen më shumë energji?

Një mitokondri e izoluar ndodhet në një dhomë eksperimentale me lëndë ushqyese, por pa ADP. Ajo konsumon oksigjen ngadalë. Shtoni ADP dhe konsumi i oksigjenit rritet disa herë. Prisni derisa ADP-ja të shterohet dhe konsumi i oksigjenit bie sërish. Lënda ushqyese nuk ndryshoi. Ndryshoi vetëm kërkesa për ATP.

Kjo sekuencë e shkurtër përmbledh të gjithë dallimin që trajton ky artikull. Konsumi i oksigjenit mat shpejtësinë me të cilën elektronet kalojnë përmes zinxhirit respirator drejt oksigjenit. Prodhimi i ATP-së mat se sa nga kjo rrjedhë kapet si energji e përdorshme. Të dyja kanë një hap të ndërmjetëm të përbashkët, gradientin e protoneve përmes membranës së brendshme mitokondriale, dhe çdo faktor që ndryshon sa ngushtë bashkëlidhet ky gradient me sintezën e ATP-së mund t'i zhvendosë dy treguesit përfundimtarë në drejtime të ndryshme. Bluja e metilenit është një shembull i dobishëm këtu, sepse është vërejtur të bëjë të dyja: të rrisë përdorimin e oksigjenit së bashku me ATP-në në disa preparate dhe të rrisë përdorimin e oksigjenit ndërkohë që ATP-ja mbetet e pandryshuar ose bie në të tjera.

Lexuesit që duan fillimisht një pamje më të gjerë të transferimit mund të nisin me mënyrën se si bluja e metilenit transporton elektrone përmes zinxhirit respirator, ndërsa ata që duan terminologjinë e eksperimenteve të hershme me oksigjenin mund të lexojnë se çfarë treguan në të vërtetë matjet e para të respiracionit.

Respiracioni, ATP-ja dhe gradienti ndërmjet tyre

Elektronet nga NADH dhe FADH2 hyjnë në zinxhir te komplekset I dhe II, kalojnë përmes kompleksit III te citokromi c, pastaj përmes kompleksit IV tek oksigjeni. Energjia e çliruar në komplekset I, III dhe IV pompon protone nga matriksi në hapësirën ndërmembranore. Kjo ndarje e ngarkesës dhe aciditetit përbën forcën shtytëse protonike, dhe pjesa e saj elektrike, potenciali membranor, zakonisht është pjesa mbizotëruese.

ATP-sintaza lejon protonet të rrjedhin sërish në matriks dhe përdor energjinë e çliruar për të bashkuar ADP-në dhe fosfatin në ATP. Pra, vargu është:

konsumi i oksigjenit, pastaj pompimi i protoneve, pastaj gradienti, pastaj sinteza e ATP-së.

Problemi është se protonet mund të kthehen përmes rrugëve të tjera. Çdo kthim që anashkalon ATP-sintazën përbën rrjedhje të protoneve. Rrjedhja e detyron zinxhirin t'i pompojë sërish të njëjtat protone për ta mbajtur të qëndrueshëm potencialin membranor, gjë që konsumon më shumë oksigjen pa prodhuar më shumë ATP. Një rrjedhje mjaftueshëm e fortë shkëput bashkëlidhjen: përdorimi i oksigjenit rritet ndërsa ATP-ja mbetet e pandryshuar ose bie, dhe energjia e shpërdoruar çlirohet si nxehtësi.

Gjendja 3, gjendja 4 dhe raporti i kontrollit respirator

Terminologjia klasike për këtë vjen nga mitokondritë e izoluara. Gjendja 3 është respiracioni në prani të substratit dhe ADP-së: ATP-sintaza ul gradientin, potenciali membranor bie, zinxhiri përshpejtohet për ta rindërtuar atë dhe përdorimi i oksigjenit është i lartë sepse po prodhohet ATP. Gjendja 4 është respiracioni pasi ADP-ja shterohet: ATP-sintaza mbetet joaktive, gradienti rritet, potenciali i lartë membranor pengon pompimin e mëtejshëm dhe përdorimi i oksigjenit bie në nivelin e nevojshëm për të kompensuar rrjedhjen.

Prandaj, raporti i kontrollit respirator, gjendja 3 pjesëtuar me gjendjen 4, tregon sa ngushtë është i bashkëlidhur preparati. Një raport i lartë do të thotë se ADP-ja e kontrollon fuqishëm respiracionin. Një raport në rënie, me gjendjen 4 në rritje, do të thotë se rrjedhja po mbizotëron. Ky është këndvështrimi që i bën të kuptueshme rezultatet me blunë e metilenit më poshtë.

Ia vlen të mbani mend një model konceptual. Potenciali i lartë membranor e ngadalëson zinxhirin. Shpërndarja e potencialit e përshpejton atë. Zinxhiri reagon ndaj vështirësisë së pompimit, jo drejtpërdrejt ndaj faktit nëse po prodhohet ATP.

Kur treguesit përfundimtarë ndryshojnë së bashku

Shembulli më i qartë i bashkëlidhjes vjen nga mitokondritë e izoluara të trurit të kavies me komplekse respiratore të bllokuara. Në përqendrime nga 100 nanomolar deri në 1 micromolar të blusë së metilenit, konsumi i oksigjenit në pushim u rrit me glutamat plus malat, sukcinat ose glicerofosfat si lëndë ushqyese, ndërsa respiracioni i stimuluar nga ADP-ja mbeti i pandryshuar. Në mitokondritë ku kompleksi I ose kompleksi III ishte frenuar nga substanca toksike, ngjyruesi e rriti në mënyrë modeste prodhimin e ATP-së, rivendosi potencialin membranor dhe përmirësoi marrjen e kalciumit. Rruga e propozuar është një rrugë e shkurtër: ngjyruesi pranon elektrone përpara pikës së bllokimit dhe ia kalon citokromit c, duke anashkaluar kompleksin e dëmtuar.

Një rast i dytë i bashkëlidhjes përdor një burim krejt tjetër të ATP-së. Në mitokondritë e izoluara të trurit me ATP-sintazë të frenuar, bluja e metilenit përsëri stimuloi respiracionin me çdo substrat të testuar. Por sinteza e ATP-së u rrit vetëm me alfa-ketoglutarat dhe glutamat, dy substratet që formojnë sukcinil CoA. Me oligomicinën që bllokonte ATP-sintazën, ATP-ja shtesë erdhi nga fosforilimi në nivel substrati prej sukcinil CoA ligazës në ciklin e acidit citrik, jo nga fosforilimi oksidativ. Ngjyruesi rivendosi gjithashtu potencialin membranor kur kompleksi I dhe ATP-sintaza u frenuan njëkohësisht. Këtu përdorimi i oksigjenit dhe ATP-ja ndryshuan së bashku, por vetëm aty ku substrati lejonte rrugën e dytë të prodhimit të ATP-së. Me sukcinat ose malat, respiracioni u rrit pa ATP shtesë. I njëjti ngjyrues, e njëjta dhomë eksperimentale, lëndë ushqyese të ndryshme, përgjigje të ndryshme.

Kur treguesit përfundimtarë ndahen

Rastet e ndarjes janë po aq të dokumentuara në botime dhe po aq udhëzuese. Në një studim të vitit 1997 me mitokondri të izoluara nga mëlçia e minjve të mëdhenj, bluja e metilenit përshpejtoi respiracionin e gjendjes 4 në mitokondri të bashkëlidhura ngushtë që përdornin sukcinat për respiracion, duke ulur raportin e kontrollit respirator. Efekti ishte i dukshëm që nga 0.5 micromolar dhe i fortë në 5 micromolar, një përqendrim pranë niveleve plazmatike pas një bolusi intravenoz prej 100 milligram. Në 5 micromolar mitokondritë gjithashtu u frynë, megjithëse defekti i bashkëlidhjes u shfaq fillimisht në përqendrime më të ulëta, çka sugjeron se rrjedhja i parapriu dëmtimit strukturor, në vend që të shkaktohej prej tij. Në mitokondritë me bashkëlidhje të shkëputur, ngjyruesi stimuloi respiracionin në një mënyrë të ngopshme dhe të varur nga përqendrimi. Përdorimi i oksigjenit u rrit në të dy preparatet. Sinteza e ATP-së për njësi oksigjeni të konsumuar nuk u rrit. Ky është një shembull tipik i shkëputjes së bashkëlidhjes së bashku me transportin e elektroneve, në të njëjtën molekulë.

Ndarja më e theksuar vjen nga retina. Te minjtë me mungesë të AIF dhe qelizat fotoreceptore të trajtuara me rotenon, bluja e metilenit ruajti trashësinë e retinës, shënuesit e fotoreceptorëve dhe strukturën mitokondriale, si dhe uli raportin NADH ndaj NAD dhe zbuti rrugët e stresit, përfshirë përgjigjen ndaj proteinave të papalosura dhe mitofagjinë. Ajo e bëri këtë pa korrigjuar mungesën e ATP-së. Mbrojtja pa rivendosjen e energjisë do të thotë se përfitimi erdhi përmes ekuilibrit redoks dhe integritetit mitokondrial, jo përmes ATP-së shtesë. Kushdo që e barazon mbijetesën e indit me rivendosjen e prodhimit të energjisë do ta keqinterpretonte plotësisht atë eksperiment.

Puna me mitokondritë e trurit i shton një zë kostoje të njëjtit bilanc. Të njëjtat përqendrime të ulëta që përmirësuan bioenergjetikën rritën gjithashtu prodhimin e peroksidit të hidrogjenit në çdo kusht të testuar dhe ngadalësuan eliminimin e tij, të matur me një analizë Amplex të kalibruar, jo me një ngjyrues jospecifik. Më shumë ATP dhe më shumë oksidant erdhën së bashku.

Një listë praktike kontrolli gjatë leximit

Katër pyetje e dallojnë një rezultat të bashkëlidhur nga një rezultat me bashkëlidhje të shkëputur.

Së pari, cili tregues përfundimtar u mat realisht. Vetëm konsumi i oksigjenit nuk mund të tregojë ATP-në. Sinteza e ATP-së, potenciali membranor dhe raporti i kontrollit respirator shtojnë secili një pjesë që elektroda e oksigjenit nuk mund ta shohë. Udhëzuesi për leximin e pretendimeve nga kërkimet mbi blunë e metilenit e trajton me hollësi këtë disiplinë të vlerësimit të treguesve përfundimtarë.

Së dyti, cili substrat i ushqeu mitokondritë. Rezultati me sukcinil CoA tregon se zgjedhja e lëndës ushqyese mund të përcaktojë nëse respiracioni shtesë mund të bëhet fare ATP shtesë.

Së treti, cili përqendrim u përdor. Bluja e metilenit në përqendrime nga nanomolar deri në nivele të ulëta micromolar në mitokondritë e trurit solli përmirësime modeste bioenergjetike, me një kosto oksiduese; gjysmë micromolar e lart në mitokondritë e mëlçisë dobësoi bashkëlidhjen; 5 micromolar shtoi edhe fryrjen. Përqendrimi është pjesë e mekanizmit, jo një hollësi dytësore.

Së katërti, cili model e dha rezultatin. Mitokondritë e izoluara zbulojnë lidhjet e brendshme, por qelizat dhe indet e paprekura shtojnë transportin, reduktimin në formën pa ngjyrë dhe rrugë konkurruese që pranojnë elektrone. Puna laboratorike me dozimin, përfshirë mënyrën se si përqendrimi dhe protokolli formësojnë efektet e blusë së metilenit, është ura ndërmjet shifrave nga dhoma eksperimentale dhe çdo pretendimi për një person.

Konsumi i oksigjenit tregon rrjedhën e elektroneve. ATP-ja tregon se sa nga kjo rrjedhë u kap. Bluja e metilenit mund të ndryshojë cilëndo prej tyre, dhe eksperimentet e mësipërme tregojnë të katër kombinimet që pasojnë: të dyja rriten, respiracioni rritet vetëm aty ku substrati e lejon, respiracioni rritet ndërsa bashkëlidhja dobësohet dhe indi ruhet ndërsa ATP-ja mbetet e pandryshuar. Shifra në elektrodën e oksigjenit është fillimi i interpretimit, jo fundi i tij.